基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法及系统技术方案

发明专利技术公开了一种基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法及系统，整个三维叶片造型过程较为简单，并且通过双四次Bezier曲面生成的扰动量施加到叶片中弧面上后，叶片中弧面的空间三维型面在流向和展向上保持双四次Bezier曲面具有的光滑特点，该方法可以实现对离心叶轮叶片局部区域型面的精准控制，主要体现在：一方面通过叶片型面的局部调整抑制叶片表面的二次流动；另一方面还可有效实现对离心叶轮特定叶片区域强度和变形的控制，提高叶片的安全性。

【技术实现步骤摘要】
基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法及系统
本专利技术涉及离心叶轮设计
，特别地，涉及一种基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法及系统。
技术介绍
目前在离心压气机
，离心叶轮叶片通常采用根尖两个截面的直纹面进行设计，该种方法只能对离心叶轮叶片根部和尖部的几何形状进行控制，无法对叶片局部区域进行精准控制。随着技术的发展，离心压气机朝着负荷高、效率高、压比高的方向发展，采用根尖两个截面设计离心叶轮的传统方法难以满足未来高性能离心压气机的性能需求。高性能离心压气机叶轮叶片的设计要求越来越高，对叶片局部区域的控制需求增加，故叶片呈现的三维性越来越强，现有的一些离心叶轮设计方法借鉴了轴流叶片多截面设计方法以期望实现对离心叶轮叶片的三维控制。但是，由于离心叶轮进出口叶片高度差异大，借鉴轴流叶片多截面设计方法最大的缺点就是要实现对截面的精细控制，需要控制的截面个数较多，控制参数多，使得三维叶片造型过程十分复杂，而且极易存在叶片展向不光滑的现象，实用性不强。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法及系统，以解决目前借鉴轴流叶片多截面设计方法进行离心叶轮设计的方式存在的三维叶片造型过程中控制参数多，造型过程复杂以及极易存在叶片展向不光滑的现象的技术问题。根据本专利技术的一个方面，提供一种基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法，包括以下步骤：步骤S1：输入离心叶轮造型所需的几何参数，所述几何参数包括离心叶轮进出口流道坐标、进出口叶片角、叶片最大厚度及厚度位置、叶片数、叶片切割位置、叶片前缘半径、双四次Bezier曲面扰动参数；步骤S2：基于离心叶轮进出口流道坐标采用Bezier曲线设计子午流道；步骤S3：基于保角变换方法将叶片根部和尖部的中弧线变换到平面坐标系进行叶片中弧线设计，设计完成之后再将叶片中弧线映射到笛卡尔坐标系中计算得到叶片中弧线的三维空间坐标，采用线性插值的方式计算获得不同叶高截面叶片中弧线的空间三维坐标，从而得到叶片中弧面的三维空间坐标；步骤S4：采用Bezier曲线生成投影到子午面的叶片前缘切割线，并根据叶片切割位置采用插值和二分法对叶片中弧面进行切割以得到基准离心叶轮叶片中弧面；步骤S5：设计叶片厚度分布；步骤S6：采用双四次Bezier曲面生成扰动量并将其施加到基准离心叶轮叶片中弧面上；步骤S7：基于叶片厚度分布和施加扰动量的基准离心叶轮叶片中弧面，采用法向厚度叠加方法计算得到叶片型面坐标。进一步地，所述步骤S6中采用的双四次Bezier曲面的表达式为：其中，n，m均等于5，Bi,n(u)，Bj,m(v)分别为u方向和v方向上Bezier曲线基函数，Pi,j为控制点。进一步地，所述步骤S6具体为：将双四次Bezier曲面按u方向和v方向分别映射到叶片中弧面的流向和展向，并将其叠加到中弧线坐标上。进一步地，所述步骤S7包括以下内容：步骤S71：基于叶片中弧面的三维空间坐标数据计算流向和展向的空间弧长；步骤S72：在叶片中弧面任意一点上计算其沿着流向和展向的方向矢量；步骤S73：基于流向和展向的方向矢量采用向量叉乘计算得到叶片中弧面的法向矢量；步骤S74：基于叶片厚度分布在叶片法向上叠加厚度，并计算得到叶片型面坐标。所述步骤S1中的几何参数根据一维参数计算或准三维S2流面计算得到。进一步地，所述步骤S3中在保角变换坐标系中进行叶片中弧线设计的过程具体包括以下内容：给定保角变换坐标系平面中叶片包角θ和的分布趋势并计算得到叶片根部和尖部的叶片角分布曲线，根据叶片角分布曲线判断叶片角分布是否合理，若不合理则反复调整叶片包角θ和的分布趋势，直至叶片角分布满足设计要求。进一步地，所述叶片前缘切割线为直线或者曲线。进一步地，所述步骤S5中基于叶片最大厚度及厚度位置、叶片前缘半径计算得到叶片厚度沿着叶片中弧线的分布。本专利技术还提供一种基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计系统，包括：输入单元，用于输入离心叶轮造型所需的几何参数；子午流道设计单元，用于基于离心叶轮进出口流道坐标采用Bezier曲线设计子午流道；叶片中弧线设计单元，用于采用保角变换方法将叶片根部和尖部中弧线投影到保角变换后的平面坐标系进行叶片中弧线设计，设计完成之后再将叶片中弧线映射到笛卡尔坐标系中计算得到叶片中弧线的三维空间坐标，采用线性插值的方式计算获得不同叶高截面叶片中弧线的空间三维坐标，从而得到叶片中弧面的三维空间坐标；切割设计单元，用于采用Bezier曲线生成投影到子午面的叶片前缘切割线，并根据叶片切割位置采用插值和二分法对叶片中弧面进行切割以得到基准离心叶轮叶片中弧面；厚度分布设计单元，用于设计叶片厚度分布；扰动量设计单元，用于采用双四次Bezier曲面生成扰动量并将其施加到基准离心叶轮叶片中弧面上；叶片坐标计算单元，用于基于叶片厚度分布和施加扰动量的基准离心叶轮叶片中弧面，并采用法向厚度叠加方法计算得到叶片型面坐标。进一步地，还包括：数值仿真单元，用于通过一维参数计算和准三维S2流面计算得到离心叶轮造型所需的几何参数。本专利技术具有以下效果：本专利技术的基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法，先输入离心叶轮造型所需的几何参数，然后再采用Bezier曲线来设计子午流道，简单快捷，再在保角变换后的平面坐标系中进行叶片中弧线设计，保角变换后的平面坐标系中弧线的走向反映了叶片槽道气流的流向，对判断叶片载荷形式更为直观，然后对叶片中弧面进行切割得到基准离心叶轮叶片中弧面，进而进行叶片厚度分布设计，接下来采用双四次Bezier曲面生成扰动量并将其施加到基准离心叶轮叶片中弧面上，最后基于叶片厚度分布和施加扰动量后的离心叶轮叶片中弧面计算得到叶片型面坐标。整个三维叶片造型过程较为简单，并且通过双四次Bezier曲面生成的扰动量施加到叶片中弧面上后，叶片中弧面的空间三维型面在流向和展向上保持双四次Bezier曲面具有的光滑特点，该方法可以实现对离心叶轮叶片局部区域型面的精准控制,主要体现在：一方面通过叶片型面的局部调整抑制叶片表面的二次流动，提高气动性能；另一方面通过叶片型面的局部调整实现对离心叶轮特定叶片区域强度和变形的精确控制，提高叶片的安全性。另外，本专利技术的基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计系统同样具有上述优点。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本专利技术还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本专利技术作进一步详细的说明。附图说明构成本申请的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1是本专利技术优选实施例的基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法的流程示意图。图2是图1中的步骤S3中的叶片中弧线保角本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法，其特征在于，/n包括以下步骤：/n步骤S1：输入离心叶轮造型所需的几何参数，所述几何参数包括离心叶轮进出口流道坐标、进出口叶片角、叶片最大厚度及厚度位置、叶片数、叶片切割位置、叶片前缘半径、双四次Bezier曲面扰动参数；/n步骤S2：基于离心叶轮进出口流道坐标采用Bezier曲线设计子午流道；/n步骤S3：基于保角变换方法将叶片根部和尖部中弧线变换到平面坐标系进行叶片中弧线设计，设计完成之后再将叶片中弧线映射到笛卡尔坐标系中计算得到叶片中弧线的三维空间坐标，采用线性插值的方式计算获得不同叶高截面叶片中弧线的空间三维坐标，从而得到叶片中弧面的三维空间坐标；/n步骤S4：采用Bezier曲线生成投影到子午面的叶片前缘切割线，并根据叶片切割位置采用插值和二分法对叶片中弧面进行切割以得到基准离心叶轮叶片中弧面；/n步骤S5：设计叶片厚度分布；/n步骤S6：采用双四次Bezier曲面生成扰动量并将其施加到基准离心叶轮叶片中弧面上；/n步骤S7：基于叶片厚度分布和施加扰动量的基准离心叶轮叶片中弧面，采用法向厚度叠加方法计算得到叶片型面坐标。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法，其特征在于，
包括以下步骤：
步骤S1：输入离心叶轮造型所需的几何参数，所述几何参数包括离心叶轮进出口流道坐标、进出口叶片角、叶片最大厚度及厚度位置、叶片数、叶片切割位置、叶片前缘半径、双四次Bezier曲面扰动参数；
步骤S2：基于离心叶轮进出口流道坐标采用Bezier曲线设计子午流道；
步骤S3：基于保角变换方法将叶片根部和尖部中弧线变换到平面坐标系进行叶片中弧线设计，设计完成之后再将叶片中弧线映射到笛卡尔坐标系中计算得到叶片中弧线的三维空间坐标，采用线性插值的方式计算获得不同叶高截面叶片中弧线的空间三维坐标，从而得到叶片中弧面的三维空间坐标；
步骤S4：采用Bezier曲线生成投影到子午面的叶片前缘切割线，并根据叶片切割位置采用插值和二分法对叶片中弧面进行切割以得到基准离心叶轮叶片中弧面；
步骤S5：设计叶片厚度分布；
步骤S6：采用双四次Bezier曲面生成扰动量并将其施加到基准离心叶轮叶片中弧面上；
步骤S7：基于叶片厚度分布和施加扰动量的基准离心叶轮叶片中弧面，采用法向厚度叠加方法计算得到叶片型面坐标。


2.如权利要求1所述的基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法，其特征在于，
所述步骤S6中采用的双四次Bezier曲面的表达式为：



其中，n，m均等于5，Bi,n(u)，Bj,m(v)分别为u方向和v方向上Bezier曲线基函数，Pi,j为控制点。


3.如权利要求2所述的基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法，其特征在于，
所述步骤S6具体为：
将双四次Bezier曲面按u方向和v方向分别映射到叶片中弧面的流向和展向，并将其叠加到中弧线坐标上。


4.如权利要求1所述的基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法，其特征在于，
所述步骤S7包括以下内容：
步骤S71：基于叶片中弧面的三维空间坐标数据计算流向和展向的空间弧长；
步骤S72：在叶片中弧面任意一点上计算其沿着流向和展向的方向矢量；
步骤S73：基于流向和展向的方向矢量采用向量叉乘计算得到叶片中弧面的法向矢量；
步骤S74：基于叶片厚度分布在叶片法向上叠加厚度，并计算得到叶片型面坐标。


5.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢建，毛发金，陈璇，吴悠，银越千，
申请(专利权)人：中国航发湖南动力机械研究所，
类型：发明
国别省市：湖南;43